Οι φυσικοί ανακαλύπτουν έναν νέο τρόπο για να λύσουν το περίεργο μυστήριο της σκοτεινής ενέργειας

Τι κρύβεται πίσω από τη σκοτεινή ενέργεια – και τι τη συνδέει με την κοσμολογική σταθερά που εισήγαγε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν; Δύο φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Λουξεμβούργου επισημαίνουν έναν τρόπο απάντησης σε αυτές τις ανοιχτές ερωτήσεις στη φυσική.

Το σύμπαν έχει μια σειρά από παράξενες ιδιότητες που είναι δύσκολο να κατανοηθούν μέσα από την καθημερινή εμπειρία. Για παράδειγμα, η ύλη που γνωρίζουμε, η οποία αποτελείται από στοιχειώδη και σύνθετα σωματίδια που αποτελούνται από μόρια και ύλη, προφανώς αποτελεί μόνο ένα μικρό μέρος της ενέργειας του σύμπαντος. Η μεγαλύτερη συνεισφορά, περίπου τα δύο τρίτα, προέρχεται απόσκοτεινή ενέργεια— μια υποθετική μορφή ενέργειας της οποίας οι φυσικοί εξακολουθούν να μπερδεύονται. Επιπλέον, όχι μόνο το σύμπαν διαστέλλεται σταθερά, αλλά το κάνει και με όλο και πιο γρήγορο ρυθμό.

Φαίνεται ότι και οι δύο ιδιότητες σχετίζονται, γιατί σκοτεινή ενέργεια Θεωρείται επίσης οδηγός επιταχυνόμενης επέκτασης. Επιπλέον, μπορεί να ενώσει δύο ισχυρές σχολές σκέψης της φυσικής: την κβαντική θεωρία πεδίου και τη γενική θεωρία της σχετικότητας που αναπτύχθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν. Αλλά υπάρχει μια σύλληψη: οι λογαριασμοί και οι σημειώσεις δεν είναι καθόλου πανομοιότυπες. Δύο ερευνητές από το Λουξεμβούργο δείχνουν έναν νέο τρόπο να λύσουν αυτό το μυστήριο 100 ετών σε μια ερευνητική εργασία που δημοσιεύτηκε από το περιοδικό Επιστολές φυσικής ανασκόπησης.

Η επίδραση των εικονικών σωματιδίων στο κενό

“Το κενό έχει ενέργεια. Αυτό είναι ένα θεμελιώδες αποτέλεσμα της κβαντικής θεωρίας πεδίου”, εξηγεί ο καθηγητής Alexander Tkachenko, Καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Τμήμα Φυσικής και Επιστήμης Υλικών στο Πανεπιστήμιο του Λουξεμβούργου. Αυτή η θεωρία αναπτύχθηκε για να συνδυάσει την κβαντική μηχανική και την ειδική σχετικότητα, αλλά η κβαντική θεωρία πεδίου φαίνεται να είναι ασύμβατη με τη γενική σχετικότητα. Το κύριο πλεονέκτημά της: σε αντίθεση με την κβαντική μηχανική, η θεωρία θεωρεί όχι μόνο τα σωματίδια αλλά και τις σφαίρες χωρίς ύλη ως κβαντικά αντικείμενα.

«Σε αυτό το πλαίσιο, πολλοί ερευνητές θεωρούν τη σκοτεινή ενέργεια ως έκφραση αυτού που ονομάζεται ενέργεια κενού», λέει ο Tkatchenko, μια φυσική ποσότητα που προκύπτει, σε ζωντανή μορφή, από την εμφάνιση και τη συνεχή αλληλεπίδραση ζευγών σωματιδίων και των αντισωματιδίων τους. ως ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια — σε αυτό που είναι στην πραγματικότητα κενός χώρος.

Κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων του Planck. Credit: ESA και Planck Collaboration

Οι φυσικοί μιλούν για την έλευση και την έξοδο των εικονικών σωματιδίων και των κβαντικών τους πεδίων ως διακυμάνσεις σε ένα κενό ή σημείο μηδέν. Καθώς ζεύγη σωματιδίων εξασθενούν γρήγορα ξανά στο τίποτα, η παρουσία τους αφήνει πίσω ένα ορισμένο ποσό ενέργειας.

Ο Λουξεμβούργος επιστήμονας σημειώνει ότι «αυτή η ενέργεια του κενού έχει επίσης νόημα στη γενική σχετικότητα»: «Εκδηλώνεται στην κοσμολογική σταθερά που ο Αϊνστάιν συμπεριέλαβε στις εξισώσεις του για φυσικούς λόγους».

Τεράστια αναντιστοιχία

Σε αντίθεση με την ενέργεια του κενού, η οποία μπορεί να συναχθεί μόνο από τις εξισώσεις της κβαντικής θεωρίας πεδίου, η κοσμολογική σταθερά μπορεί να προσδιοριστεί απευθείας από αστροφυσικά πειράματα. Οι μετρήσεις με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και τη διαστημική αποστολή Planck έχουν αποδώσει κοντινές και αξιόπιστες τιμές για το θεμελιώδες φυσικό μέγεθος. Από την άλλη πλευρά, οι υπολογισμοί της σκοτεινής ενέργειας που βασίζονται στην κβαντική θεωρία πεδίου οδηγούν σε αποτελέσματα σύμφωνα με την τιμή της κοσμολογικής σταθεράς να είναι 10¹²⁰ φορές μεγαλύτερη – μια κολοσσιαία απόκλιση, αν και σύμφωνα με την επικρατούσα άποψη των φυσικών σήμερα, και οι δύο τιμές θα πρέπει να είναι ίσες. Η αντίφαση που υπάρχει είναι αντίθετα γνωστή ως «αίνιγμα της κοσμολογικής σταθεράς».

«Είναι χωρίς αμφιβολία μια από τις μεγαλύτερες αντιφάσεις στη σύγχρονη επιστήμη», λέει ο Alexander Tkachenko.

Αντισυμβατικός τρόπος ερμηνείας

Μαζί με τον συνάδελφό του ερευνητή από το Λουξεμβούργο, Δρ Ντμίτρι Φεντόροφ, έφερε τώρα τη λύση σε αυτό το μυστήριο, το οποίο ήταν ανοιχτό εδώ και δεκαετίες, ένα σημαντικό βήμα πιο κοντά. Σε μια θεωρητική εργασία, δημοσίευσαν πρόσφατα τα αποτελέσματά τους στο Επιστολές φυσικής ανασκόπησηςΟι δύο ερευνητές στο Λουξεμβούργο πρότειναν μια νέα εξήγηση για τη σκοτεινή ενέργεια. Οι διακυμάνσεις μηδενικού σημείου υποτίθεται ότι προκαλούν την πόλωση του κενού, η οποία μπορεί να μετρηθεί και να υπολογιστεί.

«Σε ζεύγη εικονικών σωματιδίων αντίθετου ηλεκτρικού φορτίου, προκύπτουν από τις ηλεκτροδυναμικές δυνάμεις που αυτά τα σωματίδια ασκούν το ένα στο άλλο κατά τη διάρκεια του πολύ σύντομου χρόνου ύπαρξής τους», εξηγεί ο Tkachenko. Οι φυσικοί αναφέρονται σε αυτό ως ένα κενό που αλληλεπιδρά με τον εαυτό του. «Οδηγεί σε μια ενεργειακή πυκνότητα που μπορεί να προσδιοριστεί με τη βοήθεια ενός νέου μοντέλου», λέει ο επιστήμονας Λουξεμβούργο.

Μαζί με τον ερευνητή συνάδελφο Fedorov, ανέπτυξαν το θεμελιώδες μοντέλο των ατόμων πριν από μερικά χρόνια και το παρουσίασαν για πρώτη φορά το 2018. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε αρχικά για να περιγράψει τις ατομικές ιδιότητες, ιδίως τη σχέση μεταξύ των πόλεων των ατόμων και των ιδιοτήτων ισορροπίας ορισμένων μη ομοιοπολικών δεσμών μορίων και στερεών. Δεδομένου ότι είναι πολύ εύκολο να μετρηθούν οι γεωμετρικές ιδιότητες πειραματικά, η πόλωση μπορεί επίσης να προσδιοριστεί από τον τύπο τους.

«Μεταφέραμε αυτήν την ενέργεια σε λειτουργίες στο κενό», εξηγεί ο Fedorov. Για το σκοπό αυτό, οι δύο ερευνητές εξέτασαν τη συμπεριφορά των κβαντικών τομέων, ιδιαίτερα την αναπαράσταση του «ερχομένων και φεύγοντας» ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Οι διακυμάνσεις αυτών των πεδίων μπορούν επίσης να χαρακτηριστούν από μια γεωμετρία ισορροπίας ήδη γνωστή από πειράματα. «Το εισαγάγαμε στις φόρμουλες του μοντέλου μας και με αυτόν τον τρόπο επιτέλους αποκτήσαμε τη δύναμη πόλωσης του εσωτερικού κενού», λέει ο Fedorov.

Το τελευταίο βήμα ήταν τότε ο μηχανικός υπολογισμός της ενεργειακής πυκνότητας της αυτο-αλληλεπίδρασης μεταξύ των διακυμάνσεων των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων. Το αποτέλεσμα που προκύπτει με αυτόν τον τρόπο είναι σε καλή συμφωνία με τις μετρούμενες τιμές της κοσμολογικής σταθεράς. Αυτό σημαίνει: «Η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να αναχθεί στην ενεργειακή πυκνότητα της αλληλεπίδρασης των κβαντικών πεδίων», υποστηρίζει ο Alexander Tkachenko.

Συνεπείς αξίες και επαληθεύσιμες προσδοκίες

«Η δουλειά μας προσφέρει έτσι μια κομψή και αντισυμβατική προσέγγιση για την επίλυση του μυστηρίου της κοσμολογικής σταθεράς», καταλήγει ο φυσικός. «Επιπλέον, παρέχει μια επαληθεύσιμη πρόβλεψη: δηλαδή, ότι τα κβαντικά πεδία όπως αυτά των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων έχουν πράγματι μια μικρή αλλά πάντα παρούσα εγγενή πόλωση».

Αυτό το εύρημα δείχνει τον δρόμο για μελλοντικά πειράματα για την ανίχνευση αυτής της πόλωσης και στο εργαστήριο, λένε οι δύο ερευνητές από το Λουξεμβούργο. «Ο στόχος μας είναι να αντλήσουμε την κοσμολογική σταθερά από μια αυστηρή προσέγγιση της κβαντικής θεωρίας», ισχυρίζεται ο Ντμίτρι Φεντόροφ. «Και η δουλειά μας περιλαμβάνει μια συνταγή για το πώς να το συνειδητοποιήσουμε αυτό».

Βλέπει τα νέα αποτελέσματα που ελήφθησαν με τον Alexander Tkachenko ως το πρώτο βήμα προς την καλύτερη κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας – και τη σχέση της με την κοσμολογική σταθερά του Albert Einstein.

Τέλος, ο Tkatchenko είναι πεπεισμένος: «Τελικά, αυτό μπορεί επίσης να ρίξει φως στον τρόπο που η κβαντική θεωρία πεδίου και η γενική θεωρία της σχετικότητας συμπλέκονται ως δύο τρόποι εξέτασης του σύμπαντος και των συστατικών του».

Αναφορά: «Πυκνότητα ενέργειας αυτο-αλληλεπίδρασης Casimir σε κβαντικά ηλεκτροδυναμικά πεδία» από τους Aleksandr Tkachenko και Dmitry Fedorov, 24 Ιανουαρίου 2023, Διαθέσιμο εδώ. Επιστολές φυσικής ανασκόπησης.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601